Інформація для вчителів
Опис
Теплова та світлова дії електричного струму безпосередньо сприймаються людським органам чуття, але це не стосується хімічних та магнітних проявів.
Магнітний ефект струмопровідного провідника має важливе значення, наприклад, у електромагнітах, електродвигунах або генераторах.
Експериментальна установка
Додаткова інформація для вчителів (1/3)
попередні знання
Принцип
Учні повинні мати базові знання про прості електричні кола та основи магнетизму (сили між магнітами, магнітними полюсами, магнітними полями тощо).
Рівняння Максвелла пояснюють магнітне вихрове поле, створене провідником зі струмом
Закон для магнітного потоку:
Додаткова інформація для вчителів (2/3)
Мета навчання
Цей експеримент допоможе учням зрозуміти, що навколо провідника зі струмом існує магнітне поле. Таким чином, вони зможуть зрозуміти принцип роботи електричних приладів і обладнання, таких як електричний дзвінок та електродвигун.
Завдання
1. Перевірте за допомогою стрілки компаса, чи чинить магнітну дію прямий провідник, по якому тече електричний струм.
2. Доведіть, що котушка, по якій тече струм, діє як стрижневий магніт, і дослідіть, від чого залежить напруженість магнітного поля.
Додаткова інформація для вчителів (3/3)
Примітки
У цьому експерименті де-факто відбувається коротке замикання. Це допустимо, тому що джерело живлення оснащене електронним обмежувачем струму. На це слід звернути увагу учнів, оскільки інакше вони можуть недооцінити небезпеку, пов'язану з коротким замиканням.
Оскільки з'єднувальні провідники зроблені з міді, вони не можуть чинити магнітної дії, оскільки мідь сама по собі не є магнітом.
Той факт, що силові лінії магнітного поля провідника, які не проходять у напрямку від одного полюса до іншого, а також не входять у тіло і не виходять за його межі, дивує і часто буває важким для розуміння учням.
Вступний експеримент зі стрижневим магнітом у другій частині експерименту має на меті повторно активізувати знання учнів про постійний магніт і, таким чином, полегшити розуміння основних аналогій з електромагнітом.
Інструкції з техніки безпеки
До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Електромагніт на екскаваторі
Котушки вбудовуються в електромагніти, наприклад, в екскаваторі на звалищі, а також у трансформатори або в гучномовці. При цьому використовується той факт, що провідник зі струмом створює магнітне поле.
Зображений на малюнку постійний магніт може тільки піднімати металобрухт, але ніяк не може скинути його знову.
У цьому експерименті досліджуються магнітні характеристики провідника зі струмом.
Завдання
1. Перевірте за допомогою стрілки компаса, чи чинить магнітну дію прямий провідник, по якому тече електричний струм.
2. Доведіть, що котушка, по якій тече струм, діє як стрижневий магніт, і дослідіть, від чого залежить напруженість магнітного поля.
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 1 |
| 2 | Аналоговий мультиметр, 600 В AC/DC, 10A AC/DC, 2 МОм, захист від перевантаження | 07021-11 | 1 |
| 3 | З'єднувальний, прямий, модуль SB | 05601-01 | 2 |
| 4 | З'єднувальний, кутовий, модуль SB | 05601-02 | 2 |
| 5 | З'єднувальний, розімкнутий, модуль SB | 05601-04 | 2 |
| 6 | З'єднувальний прямий з роз'ємом модуль SB | 05601-10 | 2 |
| 7 | Вимикач вкл./викл., модуль SB | 05602-01 | 1 |
| 8 | Котушка, 400 витків | 07829-01 | 1 |
| 9 | Котушка, 1600 витків | 07830-01 | 1 |
| 10 | Ярмо | 07833-00 | 1 |
| 11 | Компас, 1 штука | 06350-03 | 2 |
| 12 | З'єднувальний провідник, 250 мм, червоний | 07360-01 | 2 |
| 13 | З'єднувальний провідник, 250 мм, синій | 07360-04 | 2 |
| 14 | З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний | 07361-01 | 1 |
| 15 | З'єднувальний провідник, 500 мм, синій | 07361-04 | 1 |
| 16 | Магніт, стрижневий, l=72 мм | 07823-00 | 1 |
Підготовка (1/2)
Зберіть електричне коло, як показано на рисунках. Вставте короткий з'єднувальний провідник у модулі з роз`ємом та вирівняйте його так, щоб він проходив у напрямку північ-південь. Встановіть на блоці живлення обмеження сили струму на 2 А і напругу на 0 В. Замкніть вимикач, збільшуйте напругу до тих пір, поки не загориться контрольна лампочка обмежувача струму, а потім знову розімкніть вимикач.
Підготовка (2/2)
Намалюйте на аркуші паперу дві перпендикулярні лінії і покладіть на них компас так, щоб центр обертання магнітної стрілки знаходився над перетином ліній. Повертайте аркуш паперу так, щоб магнітна стрілка рухалася в напрямку коротшої лінії, і позначте кінці цих ліній буквами і . Тепер покладіть на аркуш паперу стрижневий магніт на відстані приблизно 10 см від магнітної стрілки і позначте на аркуші дві силові лінії.
Виконання роботи (1/6)
Візьміть компас і спостерігайте за магнітною стрілкою, виконуючи всі дії, вказані нижче:
- Тримайте компас прямо над провідником у напрямку північ-південь. Замкніть і розімкніть вимикач кілька разів поспіль. Зробіть малюнок силових ліній навколо провідника зі струмом (+/-) і магнітної стрілки.
- Тримайте компас прямо над провідником (див. рисунок ). Замкніть і розімкніть перемикач кілька разів поспіль. Зробіть малюнок силових ліній навколо провідника зі струмом і магнітної стрілки.
Виконання роботи (2/6)
- Замкніть вимикач:
- Піднімайте компас усе вище і вище над провідником.
- Потім тримайте компас прямо під провідником і опускайте його все нижче і нижче.
- Тримайте компас поруч із провідником і повільно віддаляйте його від провідника по горизонталі.
- Нарешті, знову розташуйте компас під провідником. Розімкніть вимикач і змініть полярність з'єднань на джерелі живлення і, за необхідності, на вимірювальному приладі. Замкніть вимикач і знову стежте за магнітною стрілкою.
- Встановіть джерело живлення на 0 В і вимкніть його.
Виконання роботи (3/6)
- Повільно переміщайте компас навколо стрижневого магніту вздовж силових ліній.
- Завжди стежте за положенням магнітної стрілки.
Виконання роботи (4/6)
Змініть експериментальну установку як показано на рисунках нижче. Вимикач поки що розімкнений. Підключіть котушку з 1600 витками до двох довгих з'єднувальних провідників і виберіть діапазон вимірювання сили струму близько 300 мА. Помістіть на аркуш котушку замість стрижневого магніту. Встановіть компас у початкове положення (над перетином ліній).
Виконання роботи (5/6)
- Увімкніть джерело живлення і замкніть вимикач. Збільшуйте напругу до тих пір, поки амперметр не покаже 250 мА.
Спостерігайте за положенням магнітної стрілки при виконанні наступних дій:
- Повільно піднести компас до котушки, а потім, як і раніше, переміщуйте компас навколо котушки вздовж намальованих силових ліній поля.
- Поверніть компас у вихідне положення і спостерігайте за відхиленням магнітної стрілки, коли сила струму послідовно дорівнює 250 мА, 150 мА і 50 мА. Запишіть положення магнітної стрілки на аркуші паперу.
- Розімкніть вимикач, замініть котушку на 1600 витків на котушку на 400 витків і повторіть описані вище вимірювання.
Виконання роботи (6/6)
- Вставте подібне залізне осердя у котушку.
- Порівняйте відхилення магнітної стрілки до і після встановлення залізного осердя.
- Покладіть на аркуш цвяхи або скріпки і наблизьте котушку з осердям до деталей.
- Встановіть джерело живлення на 0 В і вимкніть його.
Протокол
Завдання 1
Який висновок можна зробити зі спостережень, зроблених Вами в першій частині експерименту з провідником зі струмом? Вставте слова в тексті. Кожен провідник, по якому ____, оточений ____. Напрямок ____ залежить від ____ струму. Не вживається: ____ ("магнітне поле"), ____ ("гравітаційне поле").
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Ліворуч показано, як можна визначити напрямок силових ліній навколо провідника зі струмом за допомогою "правила правої руки". Спробуйте сформулювати це правило. Якщо Ви тримаєте провідник ____ рукою так, щоб ____ палець вказував на негативний полюс, то ____ вказують напрямок ____ магнітного поля.
Завдання 4
Питання
Завдання 5
Питання
Завдання 6
Питання
Завдання 7
Котушка зі струмом називається електромагнітом. Підсумуйте переваги та можливі недоліки електромагніту порівняно з постійним магнітом. Переваги електромагніту: Його можна ____, а ____ електромагніту можна поміняти місцями за допомогою вимикача. Магнітна дія електромагніту може варіюватися залежно від ____ і може бути набагато більшою, ніж у постійного магніту, завдяки великій ____ витків і силі струму. Недоліки електромагніту: йому постійно потрібна ____ енергія.